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Das Endomembransystem

Das endoplasmatische Retikulum (ER), der Golgi-Apparat, Lysosomen und Vakuolen. Austausch von Vesikeln zwischen den Kompartimenten.

Einführung

Stell dir vor, du bist eine Zelle der Bauchspeicheldrüse. Deine Aufgabe ist es, Verdauungsenzyme abzugeben, die in den Dünndarm wandern und dabei helfen, Nährstoffe aus der Nahrung abzubauen. Um diese Aufgabe ausführen zu können, musst du diese Enzyme irgendwie von ihrem Herstellungsort - innerhalb der Zelle - an ihren Wirkort bringen - außerhalb der Zelle.
Wie willst du das schaffen? Nach einem Moment der Panik, in dem du darüber nachdenkst, die Post anzurufen, entspannst du dich, weil dir eingefallen ist, dass du ein Endomembransystem besitzt!

Was ist das Endomembransystem?

Das Endomembransystem (endo- = "in") ist eine Gruppe von Membranen und Organellen in eukaryotischen Zellen, die zusammenarbeitet, um Lipide und Proteine ​​zu modifizieren, zu verpacken und zu transportieren. Es enthält eine Vielzahl von Organellen, wie die Kernhülle und Lysosomen, die du vielleicht bereits kennst, und das endoplasmatische Retikulum und den Golgi-Apparat, die wir in Kürze behandeln werden.
Obwohl sie sich eigentlich nicht innerhalb der Zelle befindet, ist die Plasmamembran auch Teil des Endomembransystems. Wie wir sehen werden, interagiert die Plasmamembran mit den anderen Organellen des Endomembransystems, und sie ist der Ort, an dem abgesonderte Proteine ​​(wie die Pankreasenzyme aus der Einleitung) exportiert werden. Wichtiger Hinweis: Das Endomembransystem enthält keine Mitochondrien, Chloroplasten oder Peroxisomen.
Schauen wir uns die verschiedenen Teile des Endomembransystems, und wie sie beim Transport von Proteinen und Lipiden funktionieren, näher an.

Das endoplasmatische Retikulum

Das endoplasmatische Retikulum (ER) spielt eine Schlüsselrolle bei der Modifikation von Proteinen und der Synthese von Lipiden. Es besteht aus einem Netz von membranartigen Röhren und flachen Säcken. Die Scheiben und Röhren des ER sind hohl und der Raum im Inneren wird als Lumen bezeichnet.

Raues ER

Das rauhe endoplasmatische Retikulum (raues ER) hat seinen Namen von den unebenen Ribosomen, die auf seiner zytoplasmatischen Oberfläche sitzen. Wenn diese Ribosomen Proteine herstellen, speisen sie die neu gebildeten Proteinketten in das Lumen ein. Einige werden vollständig in das ER übertragen und schweben im Inneren, während andere in der Membran verankert sind.
Innerhalb des ER falten sich die Proteine ​​und unterliegen Modifikationen, wie der Addition von Kohlenhydratseitenketten. Diese modifizierten Proteine ​​werden in Zellmembranen - der Membran des ER oder anderer Organellen - eingebaut oder aus der Zelle ausgeschieden.
Wenn die modifizierten Proteine ​​nicht dazu bestimmt sind, im ER zu verbleiben, werden sie in Vesikel, kleine Membrankugeln, die für den Transport verwendet werden, verpackt und zum Golgi-Apparat verschickt. Das raue ER bildet auch Phospholipide für andere zelluläre Membranen, die transportiert werden, wenn sich das Vesikel bildet.
_Bildquelle: links, "Das Endomembransystem und Proteine: Abbildung 2" von OpenStax College, Biology (CC BY 3,0), Modifikation der Arbeit von Lousia Howard; rechts, Modifikation von "Tierische Zellstruktur" von Mariana Ruiz, Public Domain_
Da das raue ER dabei hilft, Proteinen zu modifizieren, die von der Zelle abgesondert werden, besitzen Zellen, deren Aufgabe es ist, große Mengen an Enzymen oder anderen Proteinen abzugeben, wie zum Beispiel Leberzellen, eine große Menge rauhes ER.

Glattes ER

Das glatte endoplasmatische Retikulum (glattes ER) ähnelt dem rauen ER, besitzt jedoch nur wenige oder keine Ribosomen auf seiner zytoplasmatischen Oberfläche. Zu den Funktionen des glatten ER gehören:
  • Synthese von Kohlenhydraten, Lipiden und Steroidhormonen
  • Entgiftung von Medikamenten und Giften
  • Speicherung von Calciumionen
In Muskelzellen ist eine spezielle Art von glattem ER, das sarkoplasmatische Retikulum, verantwortllich für die Speicherung von Kalziumionen, welche für die koordinierte Kontraktion von Muskelfasern benötigt werden.
Es gibt auch winzige glatte Stellen im rauhen ER. Diese Stellen dienen als Austrittsstellen für Vesikel, die sich dem rauhen ER abgeschnüren, und werden als Übergangs-ER1bezeichnet.

Der Golgi-Apparat

Wohin gehen die Vesikel, wenn sie vom ER abgeschnürt werden? Bevor sie ihr eigentliches Ziel erreichen, müssen die Lipide und Proteine in den Transportversikeln sortiert, verpackt und gekennzeichnet werden, damit sie an der richtigen Stelle landen. Diese Sortierung, Kennzeichnung, Verpackung und Verteilung findet im Golgi-Apparat statt, eine Organelle, die aus flachen Membranscheiben besteht.
_Bildquelle: "Das Endomembransystem und Proteine: Abbildung 3" von OpenStax College, Biology (CC BY 3,0), Bearbeitung von Lousia Howard_
Die empfangene Seite des Golgi-Apparates heißt cis-Seite und die gegenüberliegende Seite heißt trans-Seite. Transportvesikel wandern vom ER zur cis-Seite, verschmelzen dort mir ihr und entleeren ihren Inhalt in das Lumen des Golgi-Apparats.
Wenn Proteine ​​und Lipide durch den Golgi-Apparat wandern, werden sie weiter modifiziert. Kurze Ketten von Zuckermolekülen könnten hinzugefügt oder entfernt werden, oder Phosphatgruppen könnten als Markierungen angebaut werden. Die Verarbeitung von Kohlenhydraten wird in der Abbildung als Zunahme und Abnahme von Verzweigungen an der purpurroten Kohlenhydratgruppe, die an das Protein angehängt ist, gezeigt.
_Bild geändert nach "Das Endomembransystem und Proteine: Abbildung 1" von OpenStax College, Biology (CC BY 3,0), Modifikation der Arbeit von Magnus Manske_
Schließlich werden die modifizierten Proteine sortiert (auf Grundlage der Kennzeichnung durch Aminosäuresequenzen und chemische Marker) und in Vesikel verpackt, die von der trans-Seite des Golgi-Apparats abgeschnürt werden. Einige dieser Vesikel liefern ihren Inhalt in anderen Teilen der Zeile ab, wo sie verwendet werden, wie Lysosome oder Vakuolen. Andere verschmelzen mit der Plasmamembran, liefern membranverankerte Proteine aus, die dort arbeiten, und setzen abgesonderte Proteine außerhalb der Zelle frei.
Zellen, die viele Proteine abgeben - wie z. B. Speicheldrüsenzellen, die Verdauungsenzyme absondern, oder Zellen des Immunsystems, die Antikörper abgeben - besitzen viele Golgi-Apparat-Stapel. In Pflanzenzellen produziert der Golgi-Apparat auch Polysaccharide (langkettige Kohlenhydrate), von denen einige in die Zellwand eingebaut werden.

Lysosomen

Das Lysosom ist ein Organell, das Verdauungsenzyme enthält und als Organellen-Recycling-Anlage einer Tierzelle dient. Es baut alte und unnötige Strukturen ab, sodass deren Moleküle wiederverwendet werden können. Lysosome sind Teil des Endomembransystems und einige Vesikel, die den Golgi-Apparat verlassen, sind auf dem Weg zum Lysosom.
Lysosomen können auch Fremdkörper verdauen, die von außen in die Zelle gelangen. Betrachten wir zum Beispiel eine Klasse von weißen Blutkörperchen, die Makrophagen, die Teil des menschlichen Immunsystems sind. In einem Prozess, der Phagozytose genannt wird, stülpt sich ein Abschnitt der Plasmamembran des Makrophagens nach innen, um einen Erreger zu verschlingen, wie unten gezeigt.
_Bildquelle: modifiziert nach "Das Endomembransystem und Proteine: Abbildung 4" von OpenStax College, Biology (CC BY 3,0)_
Der eingestülpte Bereich mit dem darin enthaltenen Pathogen schnürt sich von der Plasmamembran ab und bildet eine Struktur, die Phagosom genannt wird. Das Phagosom fusioniert dann mit einem Lysosom und bildet ein kombiniertes Kompartiment, in dem Verdauungsenzyme den Erreger zerstören.

Vakuolen

Pflanzenzellen sind einzigartig, da sie eine Lysosom-ähnliche Organelle namens Vakuole besitzen. Die große zentrale Vakuole speichert Wasser und Abfallprodukte, isoliert gefährliche Stoffe und verfügt über Enzyme ähnlich denen eines Lysosoms, die Makromoleküle und zelluläre Komponenten abbauen können.3 Pflanzenvakuolen dienen auch dem Wassergleichgewicht und können zur Lagerung von Verbindungen wie Toxinen und Pigmenten (Farbpartikeln) verwendet werden.4

Lysosomen vs. Peroxisomen

Ein Punkt, der verwirrend sein kann, ist der Unterschied zwischen Lysosomen und Peroxisomen. Beide Arten von Organellen sind am Abbau von Molekülen und der Neutralisierung von Giftstoffen für die Zelle beteiligt. Außerdem zeigen sich beide normalerweise als kleine, runde Tröpfchen in Abbildungen.
Das Peroxisom ist jedoch ein anderes Organell mit seinen eigenen einzigartigen Eigenschaften und Funktionen in der Zelle. Es beherbergt an Oxidationsreaktionen beteiligte Enzyme, die als Nebenprodukt Wasserstoffperoxid (H2O2) produzieren. Die Enzyme spalten Fettsäuren und Aminosäuren und entgiften auch einige Stoffe, die in den Körper gelangen. Zum Beispiel wird Alkohol durch Peroxisomen in Leberzellen entgiftet.
Wichtig ist, dass Peroxisomen – im Gegensatz zu Lysosomen – nicht Teil des Endomembransystems sind. Das heißt, sie erhalten keine Vesikel vom Golgi-Apparat. Du erfährst mehr darüber, wie Proteine ​​an das Peroxisom geliefert werden, im Artikel zu Protein-Targeting.

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